DE102021209255A1 - Vorrichtung und Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Fahrzeug - Google Patents

Vorrichtung und Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems und ein Fahrzeug.
Die Vorrichtung (1) dient dabei zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31) sowie ein Brennstoffzellensystem (31) mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1).
Die Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren (300) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31), wobei das Betriebsverfahren umfasst:
- einen ersten Betriebsschritt (301), bei dem in einem inaktiven Zustand eines Rückschlagventils (18) lediglich die zweite Strahlpumpe (6) bei einem ersten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems (31) von dem Dosierventil (10) mit Wasserstoff versorgt wird,
- einen zweiten Betriebsschritt (303), bei dem das Rückschlagventil (18) bei einem zweiten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems (31) aktiviert wird, um die erste Strahlpumpe (4) und die weitere Strahlpumpe (6) gemeinsam mit Wasserstoff zu versorgen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems und ein Fahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, mit deren Hilfe ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden können. Eine Brennstoffzelle weist hierzu eine Anode und eine Kathode auf. Die Anode wird im Betrieb der Vorrichtung und/oder des Brennstoffzellensystems mit dem Brennstoff, die Kathode mit dem Oxidationsmittel versorgt. Bei dem Brennstoff handelt es sich demnach um das Anodengas.
  • Systemisch hat sich bei der Versorgung der Anode mit Brennstoff bzw. Anodengas der Ansatz etabliert, das noch brennstoffreiche aus der Brennstoffzelle austretende Anodengas zu rezirkulieren und zusammen mit frischem Brennstoff erneut der Anode zuzuführen. Hierbei gelangt oftmals eine Strahlpumpe in Kombination mit einer weiteren Strahlpumpe als Gasfördereinheit zum Einsatz um eine Rezirkulationsleistung bei verschiedenen Betriebszuständen, insbesondere einen Hochlastbetrieb und einen Niedriglastbetrieb, abzudecken. Die Strahlpumpen die können dabei lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sein.
  • Aus der DE 10 2007 004 590 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die mindestens zwei parallel verschaltete Strahlpumpen aufweist. Typischerweise werden die Strahlpumpen werden dabei durch jeweils ein separates Dosierventil pro Strahlpumpe mit Wasserstoff versorgt, um eine flexible, bedarfsgerechte Zudosierung des Anodengases, bei dem es sich insbesondere um ein Treibmedium handelt, zu gewährleisten. Problematisch sind dabei die hohen Kosten für zwei separate Dosierventile, die die Gesamtkosten der Vorrichtung erhöhen.
  • Mit der Lösung dieses Problems ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung werden die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung und ein Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst dabei mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind, wobei den Strahlpumpen zumindest mittelbar ein Treibmedium, insbesondere aus einem Tank über eine Zuströmleitung zugeführt wird.
  • Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgeführt, dass die Strahlpumpen dabei ein gemeinsames Dosierventil aufweisen, mittels dem den beiden Strahlpumpen das Treibmedium zudosiert wird. Dabei wird Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass eine kostengünstige Ausführung der Vorrichtung herbeigeführt werden kann, da ein zusätzliches Dosierventil eingespart werden kann. Zudem wird der Bauraumbedarf durch den Wegfall des zweiten separaten Dosierventils deutlich gesenkt.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung befindet sich ein Druckraum zwischen dem Dosierventil und den beiden Strahlpumpen, wobei sich der Druckraum insbesondere stromabwärts des Dosierventils und stromaufwärts der Strahlpumpen befindet. Auf diese Weise kann das Treibmedium mittels des Dosierventils in den Druckraum zudosiert werden, und von dort in die jeweilige Strahlpumpe strömen. Somit lässt sich mittels des Druckraums eine Strömungsverzweigung in zwei Strömungspfade realisieren. Zudem kann der Druckraum als Sammelbehälter für das Treibmedium derart verwendet werden, dass sich im Druckraum ein Druckniveau aufbauen kann, insbesondere mittels einer erhöhten Zudosierung mittels des Dosierventils. Somit lässt sich zudem eine kompakte Bauform der Fördereinrichtung herbeiführen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist der ersten Strahlpumpe ein Rückschlagventil stromaufwärts vorgeschaltet, wobei sich das Rückschlagventil erst bei einem Überschreiten eines Druckniveaus, insbesondere im Druckraum, öffnet und somit die erste Strahlpumpe fluidisch mit dem Druckraum und/oder einem zweiten Zulauf verbindet und/oder somit die erste Strahlpumpe betreibbar ist. Auf diese Weise kann auf eine kostengünstige Art und Weise ein druckabhängiges und zuverlässiges Zuschalten der ersten Strahlpumpe in der Vorrichtung herbeigeführt werden. Zudem lässt sich auf diese Weise die Ausfallwahrscheinlichkeit der Vorrichtung und somit des Brennstoffzellensystems reduzieren.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird mittels eines ersten Zulaufs von einer Brennstoffzelle kommendes Rezirkulat zu einem Ansaugbereich der jeweiligen Strahlpumpe zugeführt. Dabei ist ein erster Ansaugbereich der ersten Strahlpumpe mittels einer Verbindungsöffnung mit einem zweiten Ansaugbereich der zweiten Strahlpumpe fluidisch verbunden ist, wobei der jeweilige Ansaugbereich mit dem ersten Zulauf zumindest mittelbar fluidisch verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich mittels einer kompakten Bauform und/oder auf kostengünstige Weise eine Beschickung beider Strahlpumpen mit dem von der Brennstoffzelle kommenden Rezirkulat herbeiführen, so dass jeweils jede Strahlpumpe eine Förderleistung des Rezirkulats mittels des Treibmediums herbeiführen kann.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung sind die parallel geschalteten Strahlpumpen baulich gekoppelt sind, vorzugsweise eine Baueinheit ausbilden und/oder in einem gemeinsamen Grundkörper angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte Vorrichtung geschaffen werden. Zudem kann die Anzahl der Anschlüsse reduziert werden, so dass beispielsweise nur der erste Zulauf, der zweite Zulauf und ein Ablauf als Anschlüsse vorliegen müssen. Des Weiteren kann die Kaltstartfähigkeit der Vorrichtung verbessert werden, da mittels der baulichen Kopplung der Strahlpumpen beispielsweise in dem Grundkörper die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen der Vorrichtung reduziert werden kann, wodurch der Prozess des Abkühlens der Vorrichtung bei niedrigen Umgebungstemperaturen und langen Standzeiten weitaus länger benötigt. Auf diese Weise kann eine Beschädigung der inneren Strömungskonturen und beweglichen Bauteile der Vorrichtung durch Eisbrücken verhindert werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die zweite Strahlpumpe für einen Niedriglastbetrieb aus. Dabei erfolgt eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das Dosierventil. Im Falle des Niedriglastbetriebs kann somit ausschließlich die zweite Strahlpumpe betrieben werden, indem die erste Strahlpumpe insbesondere bei einem geschlossenen Rückschlagventil fluidisch von der Zuströhmleitung getrennt wird. Auf diese Weise kann ein besserer Wirkungsgrad der Fördereinrichtung auch bei einer geringen Fördermenge und/oder einem Niedriglastbetrieb der Brennstoffzelle derart herbeigeführt werden, dass nur die erste Strahlpumpe im Betrieb ist, die aufgrund Ihrer Größe und/oder der Ausführung der Strömungskonturen einen besseren Wirkungsgrad als die erste Strahlpumpe bei einem Niederlastbetrieb des Brennstoffzellensystems hat. Zudem treten keine Reibungsverluste aufgrund eines Durchströmens des Anodengases durch die erste Strahlpumpe auf. Somit kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung und/oder ein hoher Wirkungsgrad bereitgestellt werden.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Strahlpumpe für einen Hochlastbetrieb ausgelegt und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, erfolgt durch das Dosierventil und/oder das Rückschlagventil. Auf diese Weise kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung bereitgestellt werden, da die erste Strahlpumpe ab einem überschreiten eines bestimmten Lastpunkt, beispielsweise automatisch, zugeschaltet wird und somit der Wirkungsgrad der Vorrichtung für einen Hochlastbetrieb verbessert werden kann da eine optimale Beschickung der Brennstoffzelle mittels beider Strahlpumpe erfolgen kann und sich somit die mögliche Fördermenge des gasförmigen Mediums mittels der Vorrichtung erhöht.
  • Die vorgeschlagene Vorrichtung ist demnach insbesondere zur Durchführung des im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Betriebsverfahren geeignet. Mit Hilfe der Vorrichtung lassen sich somit die gleichen Vorteile erzielen das der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert werden kann.
  • Somit betrifft die vorgestellte Erfindung in einem zweiten Aspekt ein Betriebsverfahren zum Betreiben einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Vorrichtung.
  • Das Betriebsverfahren umfasst einen ersten Betriebsschritt, bei dem in einem inaktiven Zustand des Rückschlagventils lediglich die zweite Strahlpumpe bei einem ersten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems von dem Dosierventil mit Wasserstoff versorgt wird und einem zweiten Betriebsschritt, bei dem das Rückschlagventil bei einem zweiten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems aktiviert wird, um die erste Strahlpumpe und die weitere Strahlpumpe gemeinsam mit Wasserstoff zu versorgen.
  • Das vorgestellte Betriebsverfahren dient insbesondere zum Betrieb der vorgestellten Vorrichtung und/oder des Brennstoffzellensystems.
  • Es ist insbesondere vorgesehen, dass das vorgestellte Betriebsverfahren automatisch durchgeführt wird, indem das Rückschlagventil druckabhängig aktiviert bzw. deaktiviert wird.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die erste Strahlpumpe und die zweite Strahlpumpe gemeinsam verwendet werden, um eine Menge an einem Brennstoffzellenstapel zugeführtem Wasserstoff einzustellen.
  • Durch eine gemeinsame Verwendung bzw. einen parallelen Betrieb von der ersten Strahlpumpe und der zweiten Strahlpumpe kann eine dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Menge an Wasserstoff dynamisch und mit einer unproportionalen Kennlinie bereitgestellt werden, sodass bspw. bei einer niedrigen Last mittels lediglich der zweiten Strahlpumpe eine niedrige Menge Wasserstoff bereitgestellt wird, die mittels der großen ersten Strahlpumpe nicht bereitzustellen wäre und bei einer hohen Last eine hohe Menge an Wasserstoff bereitgestellt wird, die mittels der zweiten Strahlpumpe nicht bereitzustellen wäre.
  • In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Fahrzeug mit einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Vorrichtung.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • Figurenliste
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    • 2 einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
    • 3 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens,
    • 4 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 31 mit einer Brennstoffzelle 32 und eine erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
  • In 1 ist dabei eine beispielhafte Ausführungsform des BrennstoffzellenSystems 31 dargestellt, insbesondere eines Anodenkreislaufs. Dabei ist gezeigt, dass das Förderaggregat 1 über eine Verbindungsleitung 29 mit der Brennstoffzelle 32 verbunden, die einen Anodenbereich 38 und einen Kathodenbereich 40 umfasst. Zudem ist eine Rückführleitung 23 vorgesehen, die den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32 mit einem ersten Zulauf 28, und somit insbesondere mit einem Ansaugbereich 7 (gezeigt in 2), des Förderaggregats 1 verbindet. Mittels der Rückführleitung 23 kann das im Anodenbereich 38 beim Betrieb der Brennstoffzelle 32 nicht verwertete erste gasförmige Medium zum ersten Zulauf 28 zurückgeführt werden. Bei diesem ersten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um das ein Rezirkulationsmedium.
  • Wie aus 1 weiter ersichtlich, wird das in einem Tank 34 gespeicherte zweite gasförmige Medium über eine Tankleitung 27 einem zweite Zulauf 36 des Förderaggregats 1 zugeführt. Bei diesem zweiten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um ein Treibmedium.
  • 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Dabei ist die Vorrichtung 1 zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems 31 geeignet. Die Vorrichtung 1 umfasst mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen 4, 6, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind, wobei den Strahlpumpen 4, 6 zumindest mittelbar ein Treibmedium, insbesondere aus dem Tank 34 über die Tankleitung 27 zugeführt wird. Die parallel geschalteten Strahlpumpen 4, 6 weisen ein gemeinsames Dosierventil 10 auf, mittels dem den beiden Strahlpumpen 4, 6 das Treibmedium zudosiert wird.
  • Dabei ist in 2 gezeigt, dass sich ein Druckraum 5 zwischen dem Dosierventil 10 und den beiden Strahlpumpen 4, 6 befindet, wobei sich der Druckraum 5 insbesondere stromabwärts des Dosierventils 10 und stromaufwärts der Strahlpumpen 4, 6 befindet. Dabei ist der ersten Strahlpumpe 4 ein Rückschlagventil 18 stromaufwärts vorgeschaltet, wobei sich das Rückschlagventil 18 erst bei einem Überschreiten eines Druckniveaus, insbesondere eines Druckniveaus im Druckraum 5, öffnet und somit die erste Strahlpumpe 4 fluidisch mit dem Druckraum 5 und/oder dem zweiten Zulauf 36 verbindet und/oder somit die erste Strahlpumpe 4 betreibbar ist und durchströmt. Das Rückschlagventil 18 kann dabei eine Rückschlagplatte 20 aufweist, die mit mindestens einem Absatz eines Grundkörpers 8 in Anlage steht, und insbesondere mittels einer Feder 17, in diese geschlossen Position gedrückt wird. Sobald der Druck im Druckraum 5 einen gewissen Wert überschreitet wird die Rückschlagplatte 20 von dem Absatz gegen die Federkraft der Feder 17 weggedrückt und das Rückschlagventil 18 öffnet sich, so dass die erste Strahlpumpe 4 mit dem Treibmedium aus dem Druckraum 5 versorgt werden kann und somit das Treibmedium zumindest teilweise in einer Strömungsrichtung III die erste Strahlpumpe 4 durchströmt.
  • Weiterhin zeigt 2 dass die parallel geschalteten Strahlpumpen 4, 6 baulich gekoppelt sind, vorzugsweise eine Baueinheit ausbilden und/oder in dem gemeinsamen Grundkörper 8 angeordnet sind. Die zweite Strahlpumpe 6 kann dabei für einen Niedriglastbetrieb ausgelegt ist und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das Dosierventil 10 erfolgt. Zudem kann die erste Strahlpumpe 4 für einen Hochlastbetrieb ausgelegt ist und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das Dosierventil 10 und/oder das Rückschlagventil 18 erfolgt.
  • In 2 ist gezeigt, dass jeder der beiden Strahlpumpen 4, 6 jeweils in der Strömungsrichtung III jeweils einen Ansaugbereich 7a, b, ein Mischrohr 9a, b und einen Diffusorbereich 11a, b aufweist. Das Anodengas strömt dabei zumindest teilweise in der Strömungsrichtung III durch die Strahlpumpe 4, 6, wobei die Strömungsrichtung III parallel zu einer Längsachse der Strahlpumpe 4, 6 verlaufen. Der Großteil der durchströmten Bereiche der Strahlpumpe 4, 6 sind dabei zumindest annährend rohrförmig ausgebildet und dienen zum Fördern und/oder Leiten des gasförmigen Mediums, bei dem es sich insbesondere um H2 mit Anteilen an H2O und N2 handelt. Das vom Tank 34 kommende Treibmedium strömt über das Dosierventil 10 in den Druckraum 5. Vom Druckraum 5 erfolgt eine Strömungsverzweigung des Treibmediums und es strömt in die erste Strahlpumpe 4 und die zweite Strahlpumpe 6 ein. Das Treibmedium strömt dabei, abhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle 32 und einem geöffneten Rückschlagventil 18 vom Druckraum 5 über eine erste Treibdüse 12, insbesondere durch einen innenliegenden Kanal der ersten Treibdüse 12, in die erste Strahlpumpe 4 ein. Zudem kann das Treibmedium vom Druckraum 5 über eine zweite Treibdüse 14, insbesondere durch einen innenliegenden Kanal der zweiten Treibdüse 14, in die zweite Strahlpumpe 4 einströmen.
  • Dabei wird mittels des ersten Zulaufs 28 von der Brennstoffzelle 32 kommendes und über die Rückführleitung 23 strömende Rezirkulat, zum Ansaugbereich 7 der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 zugeführt wird. Dabei kann es sich bei dem Rezirkulat insbesondere um das unverbrauchte H2 aus dem Anodenbereich 38 (gezeigt in 1), der Brennstoffzelle 32, insbesondere einem Stack, handeln, wobei das Rezirkulat auch Wasser und Stickstoff aufweisen kann. Des Weiteren ist in 2 gezeigt, dass ein erster Ansaugbereich 7a der ersten Strahlpumpe 4 mittels einer Verbindungsöffnung 30 mit einem zweiten Ansaugbereich 7b der zweiten Strahlpumpe 6 fluidisch verbunden ist, wobei der jeweilige Ansaugbereich 7a, b fluidisch mit dem ersten Zulauf 28 zumindest mittelbar fluidisch verbunden ist.
  • Der durch die jeweilige Düse 12, 14 einströmende und als Treibmedium dienende Wasserstoff weist eine Druckdifferenz und/oder Geschwindigkeitsdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, das aus dem ersten Zulauf 28 in die jeweilige Strahlpumpe 4, 6 einströmt, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 5 bar aufweist. Wenn sich ein sogenannter Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck in den zentralen Strömungsbereich der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 gefördert. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere nahe der Schallgeschwindigkeit liegen kann, durch die jeweilige Düse 12, 14 in den jeweiligen Ansaugbereich 7a, b und/oder das jeweilige Mischrohr 9a, b ein. Die jeweilige Düse 12, 14 weist dabei eine innere Ausnehmung in Form eines Strömungsöffnung auf, durch die das gasförmige Medium strömen kann, insbesondere im Falle der ersten Strahlpumpe 4 von ein dem Dosierventil 10 und/oder dem Druckraum 5 über das Rückschlagventil 18 kommend und in den Ansaugbereich 7a und/oder das Mischrohr 9a einströmend. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im jeweiligen Ansaugbereich 7a, b und/oder im jeweiligen Mischrohr 9a, b befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits- und/oder Druck-Differenz zwischen dem Treibmedium und dem Rezirkulationsmedium wird eine innere Reibung und Turbulenz zwischen den Medien erzeugt. Dabei entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Treibmedium und dem wesentlich langsameren Rezirkulationsmedium. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Strömungsrichtung III beschleunigt und es entsteht für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich des ersten Zulaufs 28 nachgefördert wird. Dieser Effekt kann als Strahlpumpeneffekt bezeichnet werden. Durch das Ansteuern der Zu-Dosierung des Treibmediums mittels des Dosierventils 10 kann eine Förderrate des Rezirkulationsmediums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf eines gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 (nicht gezeigt in 1) je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden. In einem beispielhaften Betriebszustand der Vorrichtung 1 und/oder der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 bei dem sich das Dosierventil 10 in geschlossenem Zustand befindet, kann verhindert werden, dass das Treibmedium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Strömungsbereich der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 nachströmt, so dass das Treibmedium nicht weiter in Strömungsrichtung III zum Rezirkulationsmedium in den jeweiligen Ansaugbereich 7a, b und/oder das jeweilige Mischrohr 9a, b einströmen kann und somit der Strahlpumpeneffekt aussetzt.
  • Nach dem Passieren des jeweiligen Mischrohrs 9a, b strömt das vermischte und zu fördernde Medium, das insbesondere aus dem Rezirkulationsmedium und dem Treibmedium besteht, in der Strömungsrichtung III in den jeweiligen Diffusorbereich 11, wobei es im Diffusorbereich 11a, b zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit kommen kann. Von dort strömt das Medium beispielsweise weiter über einen sich im Grundkörper 8 befindlichen Ablauf 37 und von dort über die Verbindungsleitung 29 in den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32.
  • In 3 ist ein Betriebsverfahren 300 zum Betreiben einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems 31 dargestellt.
  • Das Betriebsverfahren 300 umfasst einen ersten Betriebsschritt 301, bei dem in einem inaktiven Zustand des Rückschlagventils 18 lediglich die zweite Strahlpumpe 6 bei einem ersten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems 31 von dem Dosierventil 10 mit Wasserstoff versorgt wird. In einem zweiten Betriebsschritt 303, bei dem das Rückschlagventil 18 bei einem zweiten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems 31 aktiviert wird, um die erste Strahlpumpe 4 und die weitere Strahlpumpe 6 gemeinsam mit Wasserstoff zu versorgen.
  • In 4 ist ein Fahrzeug 400 dargestellt. Das Fahrzeug 400 umfasst das Brennstoffzellensystem 31 gemäß 1.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007004590 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Vorrichtung (1) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31), umfassend mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen (4, 6), die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind, wobei den Strahlpumpen (4, 6) zumindest mittelbar ein Treibmedium, insbesondere aus einem Tank (34) über eine Tankleitung (27) und/oder einen zweiten Zulauf (36) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel geschalteten Strahlpumpen (4, 6) ein gemeinsames Dosierventil (10) aufweisen, mittels dem den beiden Strahlpumpen (4, 6) das Treibmedium zudosiert wird.
  2. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Druckraum (5) zwischen dem Dosierventil (10) und den beiden Strahlpumpen (4, 6) befindet, wobei sich der Druckraum (5) insbesondere stromabwärts des Dosierventils (10) und stromaufwärts der Strahlpumpen (4, 6) befindet.
  3. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Strahlpumpe (4) ein Rückschlagventil (18) stromaufwärts vorgeschaltet ist, wobei sich das Rückschlagventil (18) erst bei einem Überschreiten eines Druckniveaus, insbesondere eines Druckniveaus im Druckraum (5), öffnet und somit die erste Strahlpumpe (4) fluidisch mit dem Druckraum (5) und/oder einem zweiten Zulauf (36) verbindet und/oder somit die erste Strahlpumpe (4) betreibbar ist.
  4. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines ersten Zulaufs (28) von der Brennstoffzelle (32) kommendes Rezirkulat zu einem Ansaugbereich (7) der jeweiligen Strahlpumpe (4, 6) zugeführt wird, wobei ein erster Ansaugbereich (7a) der ersten Strahlpumpe (4) mittels einer Verbindungsöffnung (30) mit einem zweiten Ansaugbereich (7b) der zweiten Strahlpumpe (6) fluidisch verbunden ist, wobei der jeweilige Ansaugbereich (7a, b) mit dem ersten Zulauf (28) zumindest mittelbar fluidisch verbunden ist.
  5. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel geschalteten Strahlpumpen (4, 6) baulich gekoppelt sind, vorzugsweise eine Baueinheit ausbilden und/oder in einem gemeinsamen Grundkörper (8) angeordnet sind.
  6. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlpumpe (6) für einen Niedriglastbetrieb ausgelegt ist und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das Dosierventil (10) erfolgt.
  7. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlpumpe (4) für einen Hochlastbetrieb ausgelegt ist und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das Dosierventil (10) und/oder das Rückschlagventil (18) erfolgt.
  8. Betriebsverfahren (300) zum Betreiben einer Vorrichtung (1) in einem Brennstoffzellensystems (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Betriebsverfahren umfasst: - einen ersten Betriebsschritt (301), bei dem in einem inaktiven Zustand des Rückschlagventils (18) lediglich die zweite Strahlpumpe (6) bei einem ersten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems (31) von dem Dosierventil (10) mit Wasserstoff versorgt wird, - einen zweiten Betriebsschritt (303), bei dem das Rückschlagventil (18) bei einem zweiten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems (31) aktiviert wird, um die erste Strahlpumpe (4) und die weitere Strahlpumpe (6) gemeinsam mit Wasserstoff zu versorgen.
  9. Betriebsverfahren (300) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlpumpe und die zweite Strahlpumpe gemeinsam verwendet werden, um eine Menge an dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführtem Wasserstoff einzustellen.
  10. Fahrzeug (400) mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
DE102021209255.1A 2021-08-24 2021-08-24 Vorrichtung und Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Fahrzeug Pending DE102021209255A1 (de)

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